12.8. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимости частоты вращения ротора n, тока статора I₁, момента на валу М, к. п. д. η и cos φ₁ от мощности Р₂ при U₁ = const и f₁ = const называются рабочими характеристиками асинхронного двигателя. Типичный вид рабочих характеристик (в относительных едини­цах) показан на рис. 12.15.

Рабочие характеристики для двигателей небольшой мощности можно построить путем непосредственного измерения частоты вращения n, тока I₁, момента на валу М и мощности Р₂ при различных нагрузках двигателя, для чего используется электромагнитный (или какой-либо другой) тормоз, позволяющий изменять тормозящий момент. Однако такой метод построения рабочих характеристик не всегда возможен, так как не всегда позволяет получить достаточно точные результаты, а в ряде случаев вообще трудноосуществим, особенно для двигателей большой мощности. В этом случае рабочие характеристики получают косвенным (например, используя круговые диаграммы) или расчетным путем (если известны параметры машины, полученные из ее расчета или из опытов холостого хода и короткого замыкания).

Зависимость частоты вращения двигателя от нагрузки n =f (Р₂) по виду является жесткой, так как частота вращения двигателя n = n₀(l - s) при изменении нагрузки меняется незначительно. Жесткость характеристики обусловлена не­большими значениями скольжения двигателя при номинальной на­грузке (s_ном = 0,01 - 0,06), выбирае­мыми при проектировании двига­теля из соображения экономич­ности, ибо с уменьшением сколь­жения снижаются потери мощнос­ти в роторе ΔР_э2.

Вращающий момент на валу двигателя М связан с полезной мощностью Р₂, развиваемой дви­гателем на валу, соотношением М = Р₂/ω. Если бы угловая скорость двигателя ω была постоянной, то зависимостьбыла бы линейной. Однако частота вращения двигателя с увеличением нагрузки немного уменьшается, поэтому эта зависимость немного отклоняется вверх.

Ток статора I₁ согласно (12.27), равен сумме приведенного тока ротора и тока холостого хода. Зависимость тока статора I₁ = f(P₂) обусловлена соотношением между намагничивающим (реактивным) током и активным током двигателя при изменении нагрузки. Реактив­ная составляющая тока статора определяется в основном током холостого хода, последний же составляет 20—40% от номинального тока и незначительно меняется с изменением нагрузки. Активная составляющая тока статора пропорциональна полезной мощности двигателя. Поэтому зависимость I₁ = f(P₂) в диапазоне рабочих нагрузок достаточ­но близка к линейной.

На рис. 12.15 показана типичная зависимость соsφ₁ от нагрузки двигателя, при этом наибольшее его значение (0,8 — 0,9) получается при нагрузках, близких к номинальной. На холостом ходу асинхронный двигатель потребляет почти чисто реактивный ток, идущий на создание основного магнитного потока, поэтому при холостом ходе угол сдвига фаз φ₁ близок к π/2 и cosφ₁ соответственно очень мал (обычно не превышает 0,2). При увеличении нагрузки (особенно до значений, близких к номинальным) возрастает активная составляющая тока, реактивная составляющая тока при этом изменяется мало, так как основной магнитный поток двигателя практически постоянен. Следова­тельно, при увеличении нагрузки двигателя угол φ₁ уменьшается, а соsφ₁ соответственно увеличивается. При нагрузке выше номинальной значительно увеличиваются магнитные потоки рассеяния, вследствие чего реактивная составляющая тока возрастает, тем самым вызывая увеличение угла φ₁ и уменьшение cosφ₁.

Так как асинхронные двигатели наиболее распространены и яв­ляются основными потребителями электроэнергии в промышленности, то при недогрузке они могут сильно снижать cosφ энергетических систем, поэтому необходимо, чтобы двигатель при работе был доста­точно нагружен.

В целом асинхронные двигатели, особенно малой мощности, имеют сравнительно низкий cosφ₁, что является одним из их недостат­ков.

Магнитный поток асинхронного двигателя пропорционален напря­жению, приложенному к обмотке статора. Намагничивающий ток, возбуждающий в двигателе магнитный поток заданного значения, будет тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление пути прохождения потока. Наибольшую часть этого магнитного сопротивления в двига­телях составляет воздушный зазор между статором и ротором. Следо­вательно, чем меньше воздушный зазор у двигателя, тем меньше маг­нитное сопротивление прохождению потока и тем меньший требует­ся намагничивающий ток для создания заданного потока. Таким обра­зом, двигатели с наименьшим воздушным зазором имеют меньший намагничивающий ток и наибольший cosφ. С ростом номинальной мощности двигателей размеры их воздушных зазоров растут медленнее, чем мощность, поэтому с увеличением мощности двигателей повы­шается их cosφ.

Зависимость к. п. д. асинхронного двигателя от полезной мощности Р₂, представленная на рис. 12.15, имеет такой же характер, как и для трансформаторов или большинства электрических машин. Мощность Р₂, представляя собой механическую мощность, отдаваемую двигате­лем, отличается от подводимой к нему мощности P₁ на значение потерь Δр, которые подразделяются на постоянные Δрп_ост, не завися­щие от нагрузки двигателя, и переменные Δр_пер, которые зависят от нагрузки:

К постоянным потерям относятся потери в стали на гистерезис и вихревые токи Δр_с и механические потери Δр_т, которые при изме­нении нагрузки остаются постоянными, такими же, как при холостом ходе:

Переменными потерями являются электрические потери Δр_э в обмот­ках статора и ротора электрические потери в щеточном контакте Δр_щ.э (в двигателях с фазным ротором), которые изменяются пропорционально току, и добавочные потери ΔР_доб, изме­няющиеся пропорционально квадрату тока нагрузки. Следует отметить, что добавочные потери возникают вследствие изменения относи­тельного положения зубцов ротора и статора при вращении ро­тора, что приводит к изменению магнитного сопротивления и пульсации магнитного потока. Для снижения этих потерь может служить, напри­мер, скос пазов ротора относительно направления пазов статора. Итак,

(12.42)

К. п. д. по мере возрастания нагрузки изменяется от нуля при холостом ходе (Р₂ = 0) до максимального значения, когда переменные потери равны постоянным. При дальнейшем увеличении нагрузки рост к. п. д. прекращается и его значение начинает уменьшаться.

Максимальный к. п. д. в двигателях средней и большой мощностей имеет место примерно .при нагрузках 60—85% от номинальной, что учитывают при выборе двигателя для привода исполнительного механиз­ма. С увеличением номинальной мощности двигателей их к. п. д. возрастает, так как при этом относительные суммарные потери умень­шаются.